Tipos de destilação -REYNALDO GOMIDE

Tipos de destilação -REYNALDO GOMIDE

Operações de destilação:

Uma destilação pode ser conduzida de uma variedade de modos, cada um dos quais apresenta vantagens e desvantagens numa determinada situação partículas. Observa-se, todavia, que os diversos modos de operar são modificações dos seguintes métodos que podem ser considerados fundamentais: Destilação diferencial; Destilação de equilíbrio ;Destilação por arraste; Destilação fracionada;

Estes modos diferem um do outro pelo modo de conduzir a operação e pelo tipo de equipamento, porém todos estão baseados no mesmo principio: o vapor produzido por uma dada mistura liquida está geralmente mais concentrado no componente mais volátil do que no liquido.

Destilação diferencial:

Esta operação ,também conhecida como destilação de Raleigh ou destilação simples , é descontinua. A carga liquida é colocada no fervedor e aquecida até sua temperatura de ebulição. Imediatamente depois de produzido, o vapor formado é removido através de um condensador. Tanto o vapor ,que se encontra enriquecido no componente mais volátil, como o liquido residual do fervedor podem ser o produto da operação. A aparelhagem utilizada consta de um fervedor que vai vaporizando a carga ,e de um condensador. No laboratório esta operação é realizada num balão de vidro de pescoço curto no qual é adaptado o condensador. Os cálculos relativos a este tipo de operação visam relacionar a quantidade de liquido que se encontra no fervedor num dado instante com sua composição. Como a operação é realizada em batelada ,o regime é transiente.

Destilação de equilíbrio :

É também chamada destilação flash , podendo ser realizada em batelada ou em operação contínua. Este segundo modo de operar é mais frequente e será considerado a seguir. A alimentação liquida preaquecida é alimentada num tanque de expansão, no qual uma parte do liquido vaporiza. O vapor produzido e o liquido não-vaporizado são retirados continuamente do tanque logo que se formam. Para operação em regime permanente os balanços materiais ( total e do mais volátil) combinados permitem calculas a quantidade V ( vapor produzido, composição y) a ser vaporizada. Varias unidades do tipo descrito poderão ser utilizadas em série, de modo a ser realizada operação multe estágio a fim de aumentar a flexibilidade deste tipo de operação.

Destilação por arraste :

Um método variante da destilação simples consiste em injetar vapor no fervedor em vez de realizar o aquecimento através de um trocador de calor. Este modo de operar é bastante comum ,sendo conhecido também pelo nome de destilação com vapor . Seu maior emprego é a vaporização de misturas com características desfavoráveis de transferência de calor ou de liquido que se compõe quando destilados normalmente à pressão atmosférica. Dois casos podem ocorrer : 1º) o vapor dissolve-se no liquido que esta sendo destilado; 2º) o vapor é imiscível com o liquido . No primeiro caso ,utilizando o índice a para identificar a água pode-se calcular a relação entre os números de mol de liquido e de água no vapor, em função das pressões parciais e da pressão total. Para calcular esta relação é necessário conhecer a relação de equilíbrio do sistema considerado, pois a auga interfere com o valor de p. Se ,pelo contrário, o liquido e o vapor forem imiscíveis ,então um componente não interferirá com o outro e a pressão parcial do liquido poderá ser substituída pela pressão de vapor do Pº componente orgânico puro. Uma vantagem da destilação por arraste, porque substâncias de alto ponto de ebulição podem ser vaporizadas à pressão atmosférica abaixo de 100°C. É claro que se o liquido for muito pouco volátil, o consumo de vapor será exagerado. Os recursos para reduzi-lo são dois: operar a pressão reduzida ou aquecer o fervedor ,além de injetar vapor d’água.

Destilação fracionada :

As operações até agora descritas propiciam pouco enriquecimento do vapor produzido, a não ser que se opere com vários estágios. Porém neste caso o custo do equipamento pode vir a ser proibitivo. Na destilação fracionada opera-se com vaporizações e condensações sucessivas num equipamento de menor custo ,conhecido como coluna de fracionamento . Há colunas de fracionamento de pratos e de enchimento .A coluna de fracionamento tem um casco cilíndrico vertical alongado ,no interior do qual há um certo número de pratos ou bandejas horizontais. A alimentação é feita num ponto intermediário , podendo haver também diversas alimentações ao longo da coluna. O liquido percorre a coluna descendo de um prato para outro através de canais de descida. Nestas colunas o liquido vai de um lado a outro das bandejas e o vapor sobe pela coluna borbulhando vigorosamente através do liquido. O escoamento das fases é dito cruzado , mas também há colunas sem canais de descida e neste caso as fases escoem eem contra-corrente pela coluna. Este segundo tipo é menos comum do que o primeiro. O vapor pode borbulha nos pratos através de perfurações ou campânulas de uma enorme variedade de modelos. Há também pratos valvulados de diversos tipos. Nas colunas de recheio o liquido e o vapor percorrem a coluna passando através de um enchimento inerte ,como anéis Rachig,selas Berl,anéis Pall,selas Intalox ou recheios estruturados ,cuja função é promover o contato eficiente das fases. Além do casco, em cujo interior há bandejas ou recheio, uma coluna de fracionemento deve ter um refervedor na base e um condensador no topo. A função do refervedor é produzir o vapor que sobe pela coluna. O liquido retirado do refervedor é o produto pesado, de causa ou de fundo . O condensado vai para um acumulador, do qual parte retorna para o topo da coluna como refluxo e o restante é o produto leve,de topo ou destilado . O refluxo origina a corrente liquida que desce de prato em prato da coluna. As vezes há mais um trocador de calor que é o preaquecedor de alimentação.

Colunas de recheio para destilação

Operações de destilação de laboratório e em instalações de pequenas escala são comumente realizadas com colunas de recheio. A destilação de líquidos erosivos em colunas deste tipo é geralmente mais econômica do que em colunas de pratos bandejas perfuradas. No passado, o emprego de colunas de destilação com mais do que 50 cm de diâmetro era desaconselhado. O fato devia-se principalmente à fratura das peças cerâmicas do enchimento devido à dilatação e contração do caso da coluna e aos problemas de escoamento preferencial junto às paredes. Todavia, os enchimentos modernos permitem ir muito além. A leitura menciona colunas de fracionamento de o-m-p-xilenos com recheio metálico Intalox com 4,60m de diâmetro e, para a separação de estireno-etil-benzeno, com 6,70m de diâmetro ,com cinco leitos num total de 33m. Bandejas de colunas com diâmetros até 8,40m têm sido substituídas por recheios metálicos modernos. Uma companhia especializada em recheios metálicos menciona colunas com até 14m de diâmetro e 60m de altura.Suas vantagens relativamente às colunas de placas com campânulas ou valvuladas são a alta eficiência ( baixo valor AEPT – Altura equivalente a uma placa teórica) ,capacidade elevada devido à sua resistência ao arraste de líquidos ,baixa perda de carga e portanto pequena elevação do ponto de ebulição , baixa retenção de líquidos e consequentemente pequeno tempo de residência do liquido no equipamento. As torres de recheio têm um casco cilíndrico longo no interior do qual é colocado um leito poroso que se destina a promover o contato entre as fases. O material de enchimento deve apresentar uma série de propriedades como baixa densidade ,boas características de perda de carga, inércia química, baixo custo e boa resistência mecânica, além de promover o contanto eficiente das fases. Os materiais de enchimento mais comumente empregados são os anéis Raschig,Lessing, com partição, espiralados ( espiral simples, dupla ou tripla), as selas Berl e Inalox, todos de cerâmica e em tamanhos que variam de ¼” a 4”. Há anéis de grafite e outros materiais ,como inox, prata, vidro, plásticos e vegetais, como bambu e madeira. Recheios mais modernos são os anéis Pall metálicos ou plásticos e os recheios estruturados como os enchimentos Sulzer e Mellapak metálicos, plásticos ou cerâmicos ( Kerapak) constituídos de tiras dobradas e corrugadas formando canais que se cruzam em ângulo com o eixo da coluna. Empregam-se também espirais e telleretes metálicas resistentes à corrosão, tijolos furados, coque e pedregulhos. Certas colunas são feitas com madeira empilhada regularmente em camadas cruzadas. O maior problema das colunas de enxerto é o escoamento preferencial junto ás paredes da coluna onde a porosidade é maior. Por esta razão costuma-se fazer a irrigação uniforme do enchimento, com uma média de cinquenta pontos de injeção de líquidos por metro quadrado de seção transversal. É comum também efetuar-se a re-dispersão do liquido a cada 3 a 5m. A fim de reduzir o efeito do escoamento preferencial o diâmetro da torre deve ser pelo menos 10 a 12 vezes o tamanho do material do recheio. As peças são geralmente colocadas em desordem no interior da colunas, que é inicialmente enchida com água para evitar a quebra das peças quando estas forem de cerâmica. Outras vezes as peças são empilhadas ordenadamente, uma a uma.

Cálculos relativos as colunas de placas.

- Método de Lewis-Sorel: Foi inicialmente desenvolvido por Sorel,sendo mais tarde simplificado consideravelmente por Lewis. Sorel cálculos o enriquecimento do vapor ,isto é, a variação de composição do vapor de uma placa para outra ,através de balanços materiais e de energia, admitindo que o equilíbrio é atingido em todas as placas, ou seja, que a relação de equilíbrio é satisfeita em cada uma. Consideremos inicialmente a seção de enriquecimento. Balanços materiais realizados no sistema constituído das n primeiras placas a contar do topo e mãos i condensador.

- Método de Mctabe-Thiele : Observa-se que sendo válidas as hipóteses simplificadores usuais de Lewis encontra-se as retas de trabalho . Há uma reta de trabalho para a seção de enriquecimento ( RTE )e outra para a seção de strippping (RTS).

- Método de Ponchon-Savarit : É um método gráfico para calcular o numero de placas teóricas que se prescinde das hipóteses simplicadoras usuais. A facilidade com que se obtêm as cargas térmicas do condensador e fervedor. A construções gráfica é feita no diagrama entalpia-concentração do sistema. Infelizmente esses tipos de diagramas são raros, sendo esta a maior limitação do método.

- Método de Frenske: É um método analítico para calcular o número de placas teóricas, isto é, para colunas operando com refluxo total. A rigor, com refluxo total não se obtém destilado, porém é possível operar com refluxo muito grande, ou seja, retirando apenas uma pequena quantidade d destilado comparado com o refluxo. Assim o método é útil em estimativas rápidas do número mínimo de placas necessárias para a separações especificada.

Destilação Multicomponente.

Misturas multicomponentes são as que apresentam mais de dois componentes. A destilação destas misturas pode ser feita pelos mesmos métodos e com os mesmos equipamentos descritos para a separação de misturas binárias. Todavia o cálculo envolve mais dificuldades.

- Método de Lewis e Matherson

O cálculo do número de placas teóricas é feito com base no método de Sorel, com as hipóteses simplificadoras usuais de Lewis. O mais prático é o método de Lewis e Matherson. Procede-se como no método de Lewis-Sorel , ou seja, partindo de uma extremidade da coluna calculam-se sucessivamente as composições de todas as correntes internas pela aplicação alternada das relações de equilíbrio (RE) e balanços materiais ( BM).Em principio não há diferença deste modo de proceder relativamente ao método de cálculo placa-a-placa para misturas binárias, porém o calculo das misturas multicomponentes envolve dificuldades adicionais ,sem mencionar a maior quantidade de relações de equilíbrio e balanços materiais a empregar neste caso. A primeira dificuldade reside na impossibilidade de se fixar a composição completa de qualquer corrente em qualquer ponto da coluna, uma vez fixada a composição da alimentação. Isto vale em particular para o liquido na base da coluna, A dificuldade começa pela temperatura que, sendo desconhecida, impossibilita a obtenção das RE.. Pode-se admitir uma composição do que satisfaça à especificação. Estas composições devem satisfazer aos balanços materiais de todos os componentes. Se um deles não for satisfeito, deve-se admitir outra composição e repetir até que o balanço material de cada componente seja satisfeito. a segunda dificuldade é o desconhecimento da temperatura em cada placa supondo fixada a pressão ,o que reque tentativas para obter as relações de equilíbrio. A temperatura real terá sido obtida quando a pressão calculada resulta igual aquela que foi pré-fixada para realizar a operação.

Destilação multicomponente continua de equilíbrio:

Esta operação constitui o ponto de partida de um grande número de destilações e fracionamentos industriais, Pode-se operar em estágio único ou múltiplo. Em cada um, fixadas a temperatura e a pressão, é possível calcular as composições das fases em equilíbrio e que são retiradas continuamente como produtos.O método a seguir permite calcular operações deste tipo realizadas com alimentação contendo qualquer número de componentes, mas foi programado para misturas com até nove componentes.

Destilação Extrativa :

Até pouco tempo este tipo de destilação só era utilizado quando os métodos convencionais eram impraticáveis ou impossíveis ,como no caso da separação de misturas azeotrópicas. Todavia, hoje em dia a destilação extrativa é muito utilizada para separar componentes com volatilidades muito próximas, o que pelos métodos convencionais requer muitos estágios e razões de refluxo elevadas. Este método requer menos energia e muitas vezes o que se economiza paga o equipamento de recuperação do solvente. Consiste em adicionar um outro componente ao sistema, chamado solvente , que aumenta a volatilidade relativa dos componentes a separar. Este modo de operar requer uma segunda coluna para recuperar o solvente utilizado. Apenas pequenas quantidades de solventes são perdidas na operação . Alimenta-se a mistura de A e B na primeira coluna ,chamada coluna de extração , da qual o componente mais volátil sai pelo topo, O solvente S é alimentado próximo ao topo dessa coluna e “arrasta” o componente B para a base, de onde a mistura B + S segue o stripper de solvente , que promove a separação de B e S. O solvente é um liquido muito menos volátil do que os componentes a separar.

Destilação azeotrópica :

A separação dos componentes de uma mistura azeotrópica é impossível de ser realizada por destilação fracionada,a nãoser que se empregue algum meio especial para desviar do azeotropo. O meio mais prático é chamado destilação azeotrópica e consiste em acrescentar um outro componente a mistura que vai ser separada, como no caso da destilação extrativa. A diferença reside na volatilidade do componente acrescentado, que neste caso é essencialmente a mesma dos componentes a separar, enquanto na destilação extrativa o solvente era praticamente ão-volatil comparado com os do sistema. Nestas condições o componente acrescentado forma um azeotropo com um mais dos componentes a separar ,devido a diferenças de polaridade. Também na destilação azeotrópica o agente de separação é alimentado próximo ao topo da coluna, porém neste caso a maior parte saí no vapor de topo. Reside neste fato a principal diferença entre os dois tipos de operação. Na destilação extrativa o solvente é menos volátil do que os componentes a separar, sua concentração é relativamente constante em todas as placas e ele é quase todo retirado pelo refervedor. Na destilação azeotrópica o agente acrescenta acha-se praticamente na porção superior da coluna e sua concentração decresce na direção do fervedor. O efeito do agente de separação é, mais uma vez, a alteração da volatilidade relativa dos componentes a separar a ele deve, em principio, satisfazer aos mesmos requisitos discutidos no caso do solvente da destilação . O modo de ultrapassar o azeotropo utilizado neste modo de operar é semelhante ao da destilação de líquidos parcialmente miscíveis, como água e isobutanol. Não é necessário produzir um azeotropo ternário como produto de topo, mas é essencial que o condensado forme duas fases. Todavia, alguns sistemas não produzem vapor de topo que condensa duas fases liquidas, de modo que algum outro tipo de operação deverá ser utilizado para desdobrar o produto de topo, como por exemplo diluição ou extração.

Fonte:

Reynaldo Gomide – Volume IV – Operações Unitárias. 1988. Cáp.II.

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